超表面設計的案例
AI賦能超表面設計 | 突破光學設計局限
原文信息
原文標題：“AI for optical metasurface”
第一作者：Akira Ueno、Juejun Hu、Sensong An
超表面的特性與商業化需求
作為一種由亞波長單元構成的二維人造材料陣列結構，超表面能夠憑借特定的結構設計與排列，實現對光波相位、振幅和偏振的有效調控。歷經多年發展，超表面正逐步從實驗室邁向商業市場。要達成這一轉變，需要更先進準確的超表面單元設計方法，要考慮加工制造過程中的偏差，還需引入特定處理算法以提升光學性能。那么，超表面怎樣才能 “走進千家萬戶” 呢？人工智能給出了一套可行的解決方案。
AI X 超表面（來自原文）
AI 助力超表面單元設計突破局限
當前，超表面單元設計廣泛采用的方法以周期性邊界條件近似假設為基礎。當相鄰單元的耦合較弱且相位梯度較小時，這種方法可以快速設計出符合要求的超表面。但在該框架下，無法設計出具有大數值孔徑和視場角的超表面（Metasurface）或超透鏡（Metalens），而這恰恰是超表面相較于傳統光學和衍射光學元件（DOE）的核心優勢。
AI與超表面單元設計案例（來自原文）
近年來，研究人員提出了幾種新穎的深度神經網絡（DNN）模型，這些模型將相鄰單元的形貌納入輸入范圍，并利用大型數據集來識別實際邊界條件下不同相鄰單元產生的影響。例如，以目標單元和與其最相鄰的八個單元作為輸入，來預測目標單元的響應。利用時域有限差分法（FDTD）獲取充足的訓練數據后，模型能夠充分考慮單元之間的相互耦合，進而輸出高效率的超表面單元結構。
AI 應對超表面制造與封裝偏差
在超表面的生產制造與封裝過程中，必然會存在偏差，這是超表面設計中無法回避的問題。
展開 超表面設計參數復雜難優化？OAS光學軟件專業方案來破局
<p class="ql-align-center"><strong>折超混合系統的自動設計</strong></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong style="color: rgb(13, 80, 199);">簡介</strong></p><p class="ql-align-justify">超表面是一種厚度遠小于波長的人工層狀材料，由周期性或準周期性的亞波長單元結構構成，能靈活調控電磁波的偏振、振幅、相位等特性。在光學領域，光學超表面可通過亞波長微結構對光的偏振、相位、振幅等進行精準調控，為光學系統的小型化與集成化提供了新途徑。 OAS 光學軟件具備強大的超表面功能，能助力科研人員與工程師便捷高效地進行超表面相關設計與分析，其智能且方便的特性，極大地提升了超表面設計工作的效率與質量 。</p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(13, 80, 199);">折射透鏡與超構透鏡</strong></p><p class="ql-align-justify">超透鏡憑借其超薄且平面的結構特性，可有效替代傳統厚重的曲面透鏡，在光學產品領域展現出革新性潛力。作為面向下一代緊湊型成像、傳感及顯示應用的核心技術，超透鏡正為光學系統的輕量化與集成化發展提供關鍵解決方案。
展開 多層超表面革新 | 簡化傳統光學系統
OAS 光學軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。
離軸干涉系統 | 賦能超表面性能精準檢測
幾何相位與傳輸相位的超透鏡（來自原文）
利用該裝置，研究團隊對幾何相位超表面和傳輸相位超表面開展測試。結果顯示，超表面整體性能與理論設計相符，但邊緣因相位梯度大存在明顯偏差。此外，通過離焦像差最小化方法可測定超透鏡焦距，所得相位分布數據還可用于計算 PSF、OTF、MTF 等重要光學參數，為超表面的性能評估與優化提供了全面的數據支持。
相位與波像差測量結果（來自原文）
OAS 光學分析軟件的超表面設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發展。OAS 光學分析軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。
展開 
超表面與AOD級聯 | 實現激光雷達大視場角
圖3 三維廣角成像測試
OAS 光學軟件的超表面設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發展。OAS 光學軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。
超表面賦能結構光三維重建 | 實現超大視場高精度實時重建
</p><p><br></p><p>衍射圖案與相位算法</p><p>目標衍射圖案的設計直接影響重建效果：若重建場景中存在規則形狀物體，均勻光點陣列可能避開物體邊緣導致輪廓信息丟失，而隨機點陣列可在保證點數充足的前提下，使部分光點覆蓋物體邊緣，保留邊緣細節。該隨機點陣列對應的相位分布通過 Gerchberg-Saxton（GS）算法求解獲得。</p><p><br></p><p>技術優勢與前沿應用展望</p><p>與傳統激光點云三維重建技術相比，基于超表面的結構光技術具有兩大核心優勢：一是顯著提升視場角覆蓋范圍，二是在系統集成性上表現出突出優勢。該技術為實時虛擬現實（VR）、全息通信、數字城市建設等前沿領域的發展奠定基礎，未來有望在上述領域拓展更廣泛的應用場景，具備廣闊的技術應用潛力。</p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong style="color: rgb(13, 80, 201);">OAS 光學軟件的超表面設計功能非常便捷</strong>，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發展。OAS 光學軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。</p>
展開 超表面重構卡塞格林望遠鏡 | 從傳統架構到新型光學系統
A：實驗裝置圖 B：狹縫示意圖 C~F：成像效果圖（來自原文）
OAS 光學軟件的超表面設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發展。OAS 光學軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。
4，comsol超表面-偏振轉換 ￥2349
本文復現了超表面中偏振轉換型超表面，參考的文獻是《一種超寬帶反射型極化轉換超表面設計》-于惠存，
一種超寬帶反射型極化轉換超表面設計_于惠存.pdf
具體模型如下
在介質板上面鋪有H型金屬片，在介質板下方有一整塊金屬將電磁波完全反射。左旋圓偏光入射到該超表面上，反射光為右旋圓偏光。實現對反射光的一種偏振轉換。
我復現的內容如下
1，x偏振波垂直入射時，仿真了反射波中x偏振分量與y偏振分量的反射系數
2，x極化波入射時，反射波中x分量與y分量的相位差。這里除了comsol，還需要用到matlab才能復現出下圖。具體的matlab代碼及操作步驟在下方的付費內容里有。
3，x極化波入射時，反射波的橢圓角，因為反射波既有x分量，又有y分量，所以反射波是個橢圓波，該橢圓的橢圓角=短半軸/上長半軸，計算橢圓角需要用到matlab。論文給出了橢圓角的計算公式如下
4，x極化波入射角改變時，反射波的橢圓角如下
可以看到我的結果與論文有點不同，這是因為作者用的是CST仿真的，而我用的是comsol。
5，不再是x極化波入射，而是與y軸和x軸有一定夾角的u波v波入射，得到反射波中u波和v波的反射系數ruu,rvu,rvv,rvu及反射系數的相位差如下。
下面是付費內容，包含comsol模型（5.6版）和matlab代碼（2018版）。并有一份ppt詳細介紹了如何將comsol算出的結果導入到matlab中繪制出論文的圖。
展開 活動報名 | 共探微納光學未來 — OAS光學軟件光波導+超表面解決方案交流會
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光波導+超表面解決方案線下活動
當下，AR/VR、光通信、超透鏡、微納成像等領域飛速發展，光波導作為 AR 顯示核心、超表面作為光學系統小型化關鍵，設計與仿真難度陡增。
2026年5月15日，OAS 光學軟件光波導仿真 + 超表面仿真解決方案線下活動將于上海舉辦，助您掌握光波導/超表面仿真設計核心技能。誠邀光學領域各位專家、老師、學者齊聚，零距離體驗國產自研光學仿真的硬核實力！
01/行業痛點，一鍵破解
當前光波導與超表面設計面臨多重困境：
?模型搭建復雜、參數優化繁瑣，傳統工具效率低、精度不足；
?跨尺度仿真難兼顧，幾何光學到波動光學銜接斷層；
?國產替代需求迫切，自主可控的專業仿真工具稀缺。
02/軟件強效助力光波導/超表面仿真
（軟件主界面）
OAS光學軟件軟件能夠在3D空間中通過序列和非序列光線追跡技術，精確模擬光學系統的性能表現。
軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
展開 光 · 學堂 | VirtualLab Fusion微納光學設計|光柵與超表面建模及仿真（深圳場）2026/5/28-5/29
課程涵蓋的光柵示例既有表面型光柵，也有全息型體光柵，例如傾斜光柵、閃耀光柵、用于光學超透鏡的Nanopillar結構等。此外還會介紹超表面的設計和參數優化和大角度超光柵仿真。該課程無需軟件基礎。
課程大綱
Course Syllabus
1
VirtualLab Fusion軟件介紹
光之數字模型平臺原理介紹
VirtualLab Fusion用戶界面的基礎操作
2
光柵仿真算法比較
薄元近似法（Thin Element Approximation）
傅里葉模態法（Fourier Modal Method）
周期單元近似法（Periodic Cell Approximation）
3
光柵嚴格分析實例
閃耀光柵
亞波長光柵與偏振轉換
體全息光柵的波長和角度選擇特性
諧振光柵耦合器
4
光柵設計與優化
傾斜光柵結構參數優化
公差分析
蛾眼抗反射結構的設計與優化
高衍射效率偏振無關光柵的優化設計
5
光柵系統級分析
晶圓檢測系統
晶圓雙面光柵圖案的成像分析
共聚焦顯微鏡檢測系統
6
超表面微納結構
超構表面偏振/波長/角度響應分析
超光柵的構建
基于神經網絡的超構透鏡設計
設計和分析超透鏡
基于超構透鏡（PCA）實現聚焦與成像
展開 Ansys Lumerical | 超表面圖像傳感器濾光片的逆向設計
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前言
在本例中，我們展示了基于超表面的CMOS圖像傳感器濾光片的逆向設計，它可以替代傳統的拜耳濾光片，后者因用吸收來過濾色彩而導致光損耗。我們可以通過在 Lumopt（基于 Python 的 Lumerical 優化工具）中使用紅色和藍色像素的綜合強度作為品質因數，顯著提高每個像素的效率。
綜述
為了設計超表面，我們使用了 Lumerical Lumopt 的多參數、多目標拓撲逆向設計優化方法。我們將超原子的折射率在 1.0（空氣）到 2.4（TiO2）之間變化，并最大限度地提高 2D 紅色和藍色敏感傳感器區域的光學效率。
步驟1：定義基礎模擬項目
下載示例附帶的文件并將所有文件解壓到一個公共目錄中。然后我們需要定義一個基礎模擬項目，包括模擬區域、優化區域、光源和監視器。初始模擬是通過腳本文件 Base_script_2D_TE_volume.lsf 生成的。我們可以通過在 FDTD 中打開并運行腳本來檢查設置：
首先，我們需要定義超表面的兩種材料的折射率。此案例中分別為 1.00 和 2.4。我們將空氣的折射率設置為 1。
其次，我們需要將監視器的位置定義為每種顏色的品質因數 (FOM) 監視器。您可以通過更改場區域監視器的大小來修改像素的大小和位置。
最后，我們需要通過監視器定義優化區域。我們將優化區域的大小定義為 3 x 1 μm。此外，您可以根據需要更改優化區域。
步驟2：定義優化區域
下一步，我們需要在腳本文件 topo_focus_2D_basic.py 中定義幾個優化參數。
首先，我們需要定義如下品質因數。在 FDTD 腳本文件編輯器中打開topo_focus_2D_basic.py。
展開 
[VirtualLab] 二維非傍軸光束分束超光柵的設計
摘要
與傳統光柵相比，尤其是在非傍軸情況下，超光柵具有優勢。在此示例中，我們設計了一個將入射光束分成3x3光束的二維（2D）超光柵。超光柵由圓形納米柱構成，并且在VirtualLab Fusion中，我們使用FMM / RCWA評估超光柵的衍射效率。 并且，我們展示了如何使用參數優化工具來提高衍射效率的均勻性。
設計任務
僅位相透射設計（IFTA）
僅位相透射設計（IFTA）
超表面晶胞分析
構建超光柵
初始超表面設計的評估
參數優化
優化超光柵設計的評估
走進VirtualLab
VirtualLab Fusion的工作流程
? 分析超表面晶胞
- 納米柱超表面組件的嚴格分析 [用例]
? 構造超光柵
? 分析光柵衍射效率
- 光柵級次分析 [用例]
? 光柵結構參數優化
VirtualLab Fusion技術
文件信息
展開 基于comsol的THz超表面BIC設計思路
接下來，我們首先設計一個近紅外波段的BIC。為不失一般性，我們將近紅外波段的BIC推廣到我們所需要的THz波段，體會設計思路。軟件為Comsol。
我們選取兩根介質硅棒作為我們的結構，如下圖所示，
兩根介質棒嚴格等長平行，在電磁場的激勵下會形成振幅相等但相位相反的一對電偶極子共振。。
在x和y方向我們選擇周期性邊界條件（注意：x方向設一個周期性邊界，y方向設一個周期性邊界），如下圖所示，
z方向是我們的入射方向，在完美匹配層邊界處設置入射端口和出射端口。
這里我們選擇TM模式激發，考慮沿x軸斜入射的情況，磁場方向始終與波矢方向垂直，沿y方向。
首先我們在光波段（較為常見）去設計BIC，BIC是無法觀測的，如下圖藍線所示，因此設計思路是在一個大的頻率范圍內去尋找準BIC。這里我們打破結構的對稱性，將其中一個介質棒截短。打破了C2對稱性（旋轉180度無法與自身重合），此時，無法兩個電偶極子無法嚴格干涉相消，泄露出來形成準BIC，如下圖綠線所示。同理，其他對稱性破缺方式也可以形成準BIC。
5 推廣到THz
接下來介紹如何將已有的模型/BIC推廣到想要的波段。在上述例子中，BIC大概位于1050 nm，THz波段我們選取0.5 THz，波長大概為600 um。在光學中如果按照一定的倍數縮放模型尺寸，那相應的波長也會以相同的倍數縮放。因此縮放后，我們可以得到THz的BIC和準BIC，分別如下圖藍線和綠線所示。
具體仿真模型和詳細操作指南歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 薄膜型聲學超表面設計與可調節性研究
而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強、傳播距離遠等特點，根據質量作用定律，傳統的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果(即打破質量作用定律的限制)是隔聲領域中研究難點
研究內容：
結合薄膜型聲學超材料與聲學超表面在低頻降噪領域的優越性，設計一種薄膜型聲學超表面，研究超寬帶低頻隔聲的可能性。致力于實現低頻寬帶隔聲降噪并實現隔聲帶的可調節性。
圖1. 薄膜型聲學超表面的結構示意圖
技術路線：
在COMSOL軟件中對薄膜型聲學超表面的隔聲特性進行仿真分析。首先建立有限元仿真幾何模型，然后設置變量和定義材料屬性，建立圓柱形空氣域，對入射口出射口積分，計算入射、出射聲功率。設置薄膜的預應力，模型框架設置邊界固定條件，并劃分自由四面體網格。在采用壓力聲學頻域和固體力學兩個物理場接口。
建立薄膜聲學超表面的幾何模型并完成網格的劃分：
圖2.幾何模型的構建
圖3.網格的劃分
圖4.薄膜聲學超表面的預應力對隔聲損失的影響
圖5.論文中的預應力對隔聲損失的影響
基于以上分析，可改變參數對其參數化掃描，即可得到薄膜型聲學超表面的結構化參數的影響。
最后,有相關需求歡迎通過公眾號"320科技工作室"與我們聯絡
展開 基于Comsol進行薄膜型聲學超表面設計與可調節性研究
而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強、傳播距離遠等特點，根據質量作用定律，傳統的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果(即打破質量作用定律的限制)是隔聲領域中研究難點
研究內容：
結合薄膜型聲學超材料與聲學超表面在低頻降噪領域的優越性，設計一種薄膜型聲學超表面，研究超寬帶低頻隔聲的可能性。致力于實現低頻寬帶隔聲降噪并實現隔聲帶的可調節性。
圖1. 薄膜型聲學超表面的結構示意圖
技術路線：
在COMSOL軟件中對薄膜型聲學超表面的隔聲特性進行仿真分析。首先建立有限元仿真幾何模型，然后設置變量和定義材料屬性，建立圓柱形空氣域，對入射口出射口積分，計算入射、出射聲功率。設置薄膜的預應力，模型框架設置邊界固定條件，并劃分自由四面體網格。在采用壓力聲學頻域和固體力學兩個物理場接口。
建立薄膜聲學超表面的幾何模型并完成網格的劃分：
圖2.幾何模型的構建
圖3.網格的劃分
圖4.薄膜聲學超表面的預應力對隔聲損失的影響
圖5.論文中的預應力對隔聲損失的影響
基于以上分析，可改變參數對其參數化掃描，即可得到薄膜型聲學超表面的結構化參數的影響。
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
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